Дайджест за июль 2024 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Канадские ученые сравнили радиометрические методы оценки показателей связывания органического углерода в водно-болотных угодьях

Для того чтобы водно-болотные угодья служили естественным решением проблемы климата, необходимы точные оценки коэффициентов поглощения органического углерода (ОС) в водно-болотных отложениях. Датирование с помощью радиоизотопов цезия-137 (137Cs) и свинца-210 (210Pb) обычно используется для измерения коэффициентов секвестрации OC в водно-болотных отложениях. Радиоизотопное датирование по 137Cs относительно простое, расчеты основаны на одной точке, представляющей начало (1954 г.) или пик (1963 г.) выпадения 137Cs. Радиоизотопное датирование по 210Pb более сложное, поскольку расчеты основаны на нескольких точках. Здесь мы показываем, что надежное датирование кернов донных отложений, собранных на заболоченных территориях, может быть достигнуто с помощью 137Cs или 210Pb датирования, или их комбинации. Однако профили 137Cs и 210Pb по глубине керна осадка должны быть тщательно отобраны, проанализированы и интерпретированы, чтобы оценить уровень секвестрации OC с высокой точностью. С этой целью мы предлагаем схему принятия решений по отбору профилей 137Cs и 210Pb на высококачественные и низкокачественные профили осадочных пород, а также сравниваем датирование с использованием временных меток 1954 и 1963 годов. Наши результаты свидетельствуют о том, что показатели секвестрации OC на основе 137Cs и 210Pb сопоставимы, особенно при использовании временного маркера 1963 г. (по сравнению с 1954 г.).

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Норвежские ученые изучили углеродный обмен деградирующих торфяников вечной мерзлоты

Согласно прогнозам, в следующем столетии обширные регионы в зоне вечной мерзлоты станут климатически непригодными для поддержания мерзлотных торфяников, что свидетельствует о преобразованиях в этих ландшафтах, в результате которых большое количество углерода вечной мерзлоты может стать уязвимым для пост-оттепельного разложения. Мы представляем результаты трехлетних вихревых ковариационных измерений потоков CH4 и CO2 из деградирующего мерзлотного торфяника Ишкорас в Северной Норвегии, которые мы дезагрегируем на отдельные потоки из палов, прудов и болот, используя информацию, предоставленную динамическим следом потока в новой системе глубоких нейронных сетей Байеса на основе ансамбля. Средний трехлетний поток CO2-эквивалента оценивается в 106 гСО2 м-2 год-1 для палов, 1 780 гСО2 м-2 год-1 для прудов и -31 гСО2 м-2 год-1 для болот, что указывает на то, что возможная деградация палов до термокарстовых прудов усилит местное воздействие парниковых газов примерно в 17 раз, в то время как преобразование в болота несколько снизит текущее местное воздействие парниковых газов.

Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

Международный коллектив ученых изучил способность сети наблюдений in situ обнаруживать "метановые бомбы"

Арктика нагревается в 4 раза быстрее, чем в среднем по глобусу, что приводит к значительным экологическим изменениям. Учитывая чувствительность природных источников метана CH4 к условиям окружающей среды, ожидается, что повышение температуры в Арктике приведет к увеличению выбросов CH4, особенно из-за таяния вечной мерзлоты и обнажения органического вещества. Поэтому некоторые оценки предполагают существование арктической метановой бомбы, при которой огромное количество CH4 внезапно и быстро высвобождается в течение нескольких лет. В данном исследовании изучается способность сети наблюдений in situ обнаруживать такие события в Арктике, в целом плохо поддающемся изучению регионе. Используя модель атмосферного переноса FLEXPART (FLEXible PARTicle) и различные сценарии выбросов CH4, мы обнаружили, что районы с густой сетью наблюдений могут обнаружить метановую бомбу с временем развития 2-10 лет. В отличие от этого, регионам с редким покрытием потребуется от 10 до 30 лет, при этом возможны ложные срабатывания в других районах.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Американские ученые проверили чувствительность скорости распада к приливным паводкам и глубине почвы на минеральном солончаке

Экологические градиенты могут влиять на распад органического вещества в пределах и на территории водно-болотных угодий и вносить вклад в пространственную неоднородность запасов углерода в почве. Мы проверили чувствительность скорости распада к приливным паводкам и глубине почвы на минеральном солончаке с помощью индекса чайных пакетиков (TBI). Чайные пакетики закапывали на глубину 10 и 50 см вдоль трансектов, расположенных на низких, средних и высоких высотах, параллельных приливному ручью с направленной эрозией. Растительные и животные сообщества и свойства почвы характеризовались однократно, а чайные пакетики и поровые воды собирались несколько раз в течение одного года. Скорость разложения TBI была выше, чем в предыдущих исследованиях мешков с мусором на том же болоте, в основном из-за быстрой потери зеленого чая. Скорость разложения ройбуша была сопоставима с естественной болотной подстилкой, что может свидетельствовать о том, что он более полезен в качестве стандартизированного прокси органического вещества, чем зеленый чай. Распад происходил медленнее всего на больших высотах болота и не был связан с другими биотическими (например, растениями, крабовыми норами) и абиотическими факторами (например, химическим составом поровой воды), что указывает на то, что местная гидрология сильно влияет на скорость потери органического вещества. Скорость потери органического вещества в горизонте 10 см была на 32-118 % выше, чем в горизонте 50 см. Скорость была самой высокой в первые три месяца и замедлилась на 54-60 % на обеих глубинах между 3 и 6 месяцами. Темпы еще более замедлились между 6 и 12 месяцами, но это было менее значительным на 10 см (17 %) по сравнению с 50 см (50 %). Замедление темпов на глубине и со временем маловероятно из-за фактора стабилизации TBI, который был сходным для разных глубин и уменьшался с 6 до 12 месяцев. Более медленный распад на глубине 50 см свидетельствует о том, что скорость была ограничена условиями окружающей среды этого более глубокого горизонта, а не молекулярным составом подстилки. В целом, эти данные свидетельствуют о том, что гидрологическая обстановка, влияющая на поступление окислителей и удаление реактивов и часто упускаемая из виду в исследованиях разложения болот, может быть особенно важным фактором, влияющим на разложение органического вещества в краткосрочной перспективе (3-12 месяцев).

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых сравнил недорогие и традиционные установки вихревой ковариации для измерения CO2

Новые, более дешевые установки вихревых ковариационных систем могут стать потенциальным решением проблемы пространственной репликации башен с одним потоком. Перед их широким применением необходимо провести всестороннее тестирование обычных вихревых ковариационных установок, чтобы обеспечить точность и достоверность измерений. В данном исследовании мы провели сравнение между тремя дешевыми вихревыми ковариационными установками на основе недорогих (примерно 33 % от стоимости обычного инфракрасного газоанализатора) датчиков углекислого газа CO2 и относительной влажности (RH) с медленным откликом и обычной вихревой ковариационной установкой для измерения потоков углекислого газа и эвапотранспирации ET над сельскохозяйственным участком с монокультурой в северной Германии. Потоки, измеренные этими установками, сравнивались с четвертой, более дешевой вихревой ковариационной установкой на соседнем агролесомелиоративном поле. Три недорогие установки продемонстрировали удовлетворительное согласие с обычной вихревой ковариационной установкой, при этом наклоны моделей линейной регрессии для 30-минутных временных рядов потоков составляли от 0,95 до 1,05 (R2 от 0,88 до 0,92) для потоков CO2 и от 0,78 до 0,99 (R2 от 0,7 до 0,85) для потоков скрытого тепла LE. Все недорогие установки хорошо воспроизводили суточную и сезонную динамику потоков CO2 и ET. Кроме того, недорогие вихревые ковариационные установки смогли измерить экосистемные различия между агролесомелиорацией и монокультурой, причем различия в потоках между обоими видами землепользования были выше, чем различия между ними. Кроме того, недорогие вихревые ковариационные установки смогли измерить различия в экосистемах между агролесомелиорацией и монокультурой, причем различия в потоках между обоими видами землепользования были выше, чем различия между разными установками. Несмотря на необходимость усиленной спектральной коррекции и более высокую неопределенность, связанную с дешевыми установками, результаты данного исследования иллюстрируют потенциал этих дешевых установок для проверки и воспроизведения обычных вихревых ковариационных установок, тем самым повышая пространственную репрезентативность измерений обмена энергией, газами и импульсом между наземными экосистемами и атмосферой.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Канадские ученые провели измерения потока малой мощности для количественной оценки воздействия управления сельским хозяйством на выбросы закиси азота

Выбросы закиси азота N2O из сельскохозяйственных почв происходят в виде импульсов, что представляет собой сложную задачу для оценки методов снижения выбросов. Поскольку время и величина импульсов зависят от почвенных и климатических условий, необходимо проводить сравнительный анализ. Методы градиента потока (FG) и вихревой ковариации (EC) фиксируют пространственно-временные изменения выбросов N2O, но требования FG более гибкие для работы с низкой мощностью и/или в многоплощадочной конфигурации с одним газоанализатором. Приборы для измерения потока N2O требуют мощных насосов (> 500 Вт), что ограничивает их развертывание. Здесь мы разработали новую аппаратуру, использующую метод FG с минимальной мощностью (∼30 Вт). Полевые измерения проводились в 2017 и 2018 годах на сельскохозяйственном поле в Онтарио, Канада, чтобы проверить качество измерений, энергопотребление и простоту использования оборудования. Маломощная система FG (FGLP) была размещена совместно с башней для измерения потоков N2O EC (N2O-EC), а существующая многоплощадочная система FG (FGMP) работала на расстоянии ∼50 м. Потоки FGLP хорошо коррелировали с N2O-EC (r2 = 0,97, наклон = 1,05) и работали непрерывно с минимальным обслуживанием, используя всего 30 Вт. FGMP, не расположенный рядом, по-прежнему демонстрировал относительно хорошую корреляцию с N2O-EC (r2 = 0,65) в течение вегетационного периода, хотя имело место несоответствие в отпечатках измерений, а потоки N2O, как известно, возникают в горячих точках. Лучшее согласие наблюдалось для потоков CO2, измеренных FGMP и системой EC (наклон = 0,97, r2 = 0,93), что дает дополнительное доверие к FGMP. Системы FG улавливали важные импульсы N2O в дождливые, туманные и росистые периоды, когда данные N2O-EC отбрасывались. Результаты подтвердили функциональность новой системы FGLP и сверили измерения FG с потоками N2O в EC. Опция низкого энергопотребления дает возможность расширить измерения в местах с ограничениями по энергопотреблению, используя конфигурацию с несколькими участками для боковых сравнений, необходимых для оценки влияния сельскохозяйственных методов на выбросы N2O.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Китайские ученые представили глобальный набор данных о потоках углерода на суше и в океане за 2015-2022 годы

Точная оценка размеров и распределения источников и поглотителей углекислого газа CO2 важна для понимания углеродного цикла и поддержки политических решений относительно мер по смягчению последствий изменения климата. Спутниковые данные об усредненных по столбу мольных долях CO2 в сухом воздухе (XCO2) широко используются для определения пространственных и временных вариаций потоков углерода с помощью методов атмосферной инверсии. В данном исследовании мы представляем глобальный пространственно разрешенный набор данных о потоках углерода на суше и в океане за 2015-2022 годы. Набор данных был создан системой инверсии атмосферы на основе Global ObservatioN-based system for monitoring Greenhouse GAses (GONGGA) путем ассимиляции данных о XCO2, полученных с Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2). Мы описываем бюджет углерода, межгодовую изменчивость и сезонный цикл для глобального масштаба и ряда регионов ТрансКома. Средние за 8 лет потоки углерода в биосферу и океан составили -2,22 ± 0,75 и -2,32 ± 0,18 ПгС год-1, поглотив примерно 23 % и 24 % современных выбросов CO2 от ископаемого топлива, соответственно. Среднегодовая скорость глобального роста содержания CO2 в атмосфере составила 5,17 ± 0,68 ПгС год-1, что согласуется с данными National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (5,24 ± 0,59 ПгС год-1).

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

Международный коллектив ученых исследовал динамику метана и связанные с ним микробные сообщества в арктических системах

Понимание динамики потоков метана в арктических системах холодных просачиваний и влияния океанических течений на микробные метанокисляющие бактерии (МОБ) имеет решающее значение для оценки их влияния на эмиссию метана в Арктике. Здесь мы исследуем динамику метана и связанные с ним микробные сообщества в двух районах холодных просачиваний - Норскебанкен и Хинлопен Трот, расположенных к северу от Шпицбергена. Концентрация метана и скорость окисления метана (MOx) измерялись в придонных и поверхностных водах, причем более высокие значения наблюдались в придонных водах, особенно в котловине Хинлопен. Доминирующими кластерами МОБ в толще воды были Milano-WF1B-03 и Methyloprofundus. Доступность метана определяла активность MOx, о чем свидетельствуют более высокие концентрации в придонных водах и донных отложениях, где MOx также был повышен. Сообщества МОБ в донных отложениях различались по местоположению, причем в Хинлопене их разнообразие и численность были выше. Сходство между МОБ донных отложений и водной толщи указывает на возможность их пополнения из донных отложений, возможно, через механизм пузырькового переноса. Кроме того, состав сообществ МОБ в придонной воде также был схож между просачиваниями Норскебанкен и Хинлопен, что предполагает обмен микробами в толще воды между двумя просачиваниями, который, вероятно, обусловлен региональным режимом течений. В совокупности наши результаты показывают, что перенос и транслокация через течения, опосредованные пузырьками, являются важными процессами, формирующими структуру сообщества и эффективность микробного фильтра метана в толще воды.

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Earth Science.

Немецкие ученые представили методологический подход к оценке выбросов метана из заброшенных скважин

В рамках глобальных усилий по сокращению антропогенных выбросов метана миллионы заброшенных нефтяных и газовых скважин считаются значительными, но до сих пор часто игнорируемыми источниками метана. Недавние исследования показали, что сотни тысяч незадокументированных заброшенных скважин в Северной Америке иногда являются мощными источниками метана, выбрасывающими до нескольких тонн метана в год. Однако большинство исследований было посвящено заброшенным скважинам, в которых все еще сохранились поверхностные установки. Лишь в нескольких исследованиях рассматривались вырубленные и закопанные скважины, поскольку их точное местоположение зачастую неизвестно. В Германии описано около 20 000 заброшенных скважин, которые хорошо задокументированы, и данные о них находятся в открытом доступе. Здесь мы представляем методологический подход к оценке выбросов метана из таких вырубленных и закопанных заброшенных скважин. Мы отобрали восемь нефтяных скважин в богатой торфом местности: четыре скважины в лесу, три скважины на месте активной добычи торфа и одна скважина на лугу. Все три участка имеют под собой торфяные отложения. На каждом участке мы отобрали пробы по сетке 30 x 30 м и соответствующей опорной сетке 20 x 20 м. Три из восьми скважин и эталонных участков показали чистую эмиссию метана. Самые высокие выбросы - до ~110 нмоль м-2 с-1 - наблюдались на одном из эталонных участков. Все три участка, выделяющие метан, находились в зоне активной добычи торфа. Детальная характеристика почвенного газа не выявила соотношения метана, этана и пропана, характерного для пластового газа, но вместо этого показала типичный биогенный состав и изотопную подпись (средний δ13C-CH4 -63 ‰). Соответственно, уходящий метан не происходил из заброшенных скважин или связанного с ними нефтяного пласта. Кроме того, изотопные подписи метана и углекислого газа указывают на то, что метан на торфоразработках был произведен ацетокластическими метаногенами, в то время как метан на луговом участке был получен гидрогенотрофными метаногенами. Однако наш генетический анализ показал, что оба типа метаногенов присутствовали на обоих участках, и, следовательно, другие факторы контролировали преобладающий механизм производства метана. Последующие молекулярно-биологические исследования показали, что аэробные метанотрофы также играют важную роль и что их относительная численность наиболее высока в месте добычи торфа. Кроме того, состав метанотрофного сообщества варьировал в зависимости от участка и глубины. Скорость аэробного окисления метана была самой высокой в месте добычи торфа, где, возможно, окислялась большая часть выделяемого метана. Наши результаты подчеркивают необходимость сочетания выбросов метана с характеристикой почвенных газов в сравнении с подходящим эталонным участком для обследования вырубленных и закопанных заброшенных скважин, поскольку наблюдение, основанное исключительно на выбросах, может неверно интерпретировать естественные выбросы.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Бельгийские ученые представили обзор на удаление углекислого газа за счет силикатного выветривания прибрежных зон с помощью оливина

Прибрежное усиленное силикатное выветривание (CESW) привлекает все больше внимания в качестве технологии удаления углекислого газа (CDR) на основе морской среды. Этот метод направлен на повышение щелочности океана (OAE) путем введения быстро выветривающихся силикатных минералов в прибрежные системы. Предполагается, что последние будут действовать как большой природный биогеохимический реактор, где физические и биологические процессы в окружающей среде могут стимулировать растворение силикатов, что приведет к одновременному высвобождению щелочи и увеличению способности морской воды связывать CO2. Оливин был выдвинут в качестве основного минерала-кандидата для CESW, но до сих пор нет результатов более масштабных полевых исследований в реальных прибрежных системах, поэтому вся информация получена исключительно из идеализированных лабораторных экспериментов. В результате остаются неопределенности в отношении эффективности, потенциала поглощения CO2 и воздействия CESW на основе оливина в соответствующих полевых условиях. В данном обзоре мы обобщаем результаты последних исследований, направленных на преодоление разрыва между существующими лабораторными результатами и реальными условиями, в которых предполагается использовать CESW. Для этого мы определяем ключевые параметры, которые регулируют кинетику растворения оливина в прибрежных отложениях, и связанный с этим потенциал секвестрации CO2, что позволяет нам выявить ряд неопределенностей, которые остаются нерешенными в отношении внедрения и расширения масштабов CESW на основе оливина, а также мониторинга, отчетности и проверки (MRV). На основании проведенного анализа мы пришли к выводу, что существующей базы знаний недостаточно для прогнозирования результатов применения CESW in situ. В частности, влияние насыщенности поровой воды на скорость растворения оливина и вопрос о дополнительности образования щелочи остаются критически важными вопросами. Чтобы с большей уверенностью оценить потенциал и влияние CESW на основе оливина, необходимы специальные пилотные исследования в заданных условиях, которые должны проводиться в достаточно большом пространственном масштабе и отслеживаться в течение достаточно длительного времени с достаточным временным разрешением. Кроме того, наш анализ показывает, что конкретный тип осадка на месте применения (например, связный или проницаемый) будет критическим фактором для применения CESW на основе оливина, поскольку он будет значительно влиять на скорость растворения, воздействуя на pH поровой воды, динамику насыщения и естественное образование щелочности. Поэтому будущие полевые исследования должны быть направлены на изучение различных типов прибрежных отложений.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.